蜗壳面积变化规律对低比转数离心泵性能的影响

为研究不同蜗壳面积变化规律对离心泵性能的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,在保证叶轮及其他几何参数不变的前提下,针对4种蜗壳断面面积变化规律(即上凸式、线性式、下凹式和S形),进行泵内非定常数值计算及分析.结果表明:蜗壳面积变化规律在设计工况下对离心泵水力性能的影响较小,上凸式、下凹式和S形蜗壳面积变化规律的泵扬程和效率与线性式之差分别在1.4%和0.4%以内,而在非设计工况下,差异较大;不同蜗壳断面内的速度分布差异较大,线性式、下凹式和S形的速度分布较上凸式更为均匀;在设计工况下,上凸式和S形面积变化规律的蜗壳能有效降低泵内的压力脉动水平,其中S形面积变化规律的蜗壳效果最佳,而下凹式则会使泵内的压力脉动幅值增大;蜗壳面积规律变化引起叶轮周围静压分布变化,致使叶轮所受径向力的大小改变,线性式面积规律的泵叶轮平均径向力最小,上凸式面积规律的泵叶轮所受平均径向力最大.研究成果可为低脉动水平离心泵的优化设计提供一定参考.     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性

为全面地研究超低比转数离心泵的内部流动和非定常特性,以一台比转数n_s=25的超低比转数离心泵为研究对象,对其进行三维非定常数值计算,并与试验结果进行对比,进而对内部流场、叶轮上的径向力和蜗壳各断面的压力脉动进行分析.研究结果表明:在不同流量工况下,叶轮流道内存在数量不等、大小不一的旋涡;靠近隔舌的2个相邻流道内,在叶轮出口边工作面的位置存在高流速区域,随着流量的增大,此处高流速区域逐渐消失;在大流量工况下,低速区面积逐渐减小,旋涡区的范围和数量逐渐减少,叶轮内相对速度分布逐渐变均匀;叶轮上的径向力大小和方向时刻变化,呈现六角星型分布,径向力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频;蜗壳各断面内压力脉动峰值随着断面变化逐渐增大,蜗壳各断面内压力脉动的主要激励频率均为叶频及其整数倍频,说明叶轮出口与蜗壳的耦合作用是蜗壳内压力脉动的主要影响因素.研究结果可为超低比转数离心泵的水力优化设计和合理运行区间的选择提供一定参考.     

螺旋形蜗壳型式对高比转数离心泵性能的影响

为了研究2种不同螺旋形蜗壳型式下高比转数离心泵的水力特性,以某一螺旋形单蜗壳为原型,设计了一台各截面面积相等、主要几何参数相同且带有对数螺旋形隔板的双蜗壳.选用SST k-ω湍流模型,应用ANSYS 14.5软件,对单、双蜗壳高比转数离心泵进行了不同工况的三维湍流数值计算,并利用原型泵的外特性试验,验证了数值计算方法的准确性.结果表明:在大流量工况下,双蜗壳泵具有更高的水力效率和扬程;额定工况及小流量工况下,隔板的存在影响不大.此外,双蜗壳内的压力脉动整体小于单蜗壳内的,尤其在靠近蜗壳出口处,双蜗壳内的监测点压力脉动幅值显著降低,这表明隔板能有效地抑制压力脉动;从扩散管段的截面流线图可以看出其流动比单蜗壳的更顺畅;不同工况下,双蜗壳匹配作用下的叶轮所受径向力均小于单蜗壳作用下的,尤其在大流量工况下,差值最大,说明隔板也能更好地平衡叶轮所受径向力.这对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.     

分流叶片对螺旋离心泵径向力的影响

为了改善单叶片螺旋离心泵叶轮径向力过大的问题,对单叶片叶轮设计分流叶片,并采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的内部流场进行非定常数值模拟。通过模拟分别获得了带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性以及作用在蜗壳和叶轮上的径向力特性,并对其进行分析比较。结果表明:各个工况下,带分流叶片和不带分流叶片的螺旋离心泵的蜗壳出口压力脉动特性、作用在蜗壳和叶轮上的径向力均呈周期性变化,且主频均为各自叶片通过频率;采用分流叶片后周期变为原模型周期的一半,蜗壳出口压力脉动幅值明显减小,作用在叶轮上的径向力明显减小,作用在叶轮上的径向力的变化趋势关于坐标轴对称性加强,且基本呈椭圆形分布;作用在蜗壳上的径向力虽有小幅提升,但是其脉动幅值减弱,且高频脉动减少。表明单叶片螺旋离心泵叶轮分流叶片的添加不仅可以有效减小叶轮上的径向力,而且对降低蜗壳上的振动特性有一定的积极作用。     

双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模

为揭示双蜗壳离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一双蜗壳双吸离心泵进行了三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及双蜗壳内压力脉动情况.并对其进行了频谱分析.结果表明双蜗壳内存在比较明显的压力脉动.设计工况下压水室内的压力脉动强度小于非设计工况.在设计工况下,隔舌处和隔板区压力脉动频率均以叶片通过频率为主,其中隔板起始端的脉动幅值最大,约为隔舌处的2.5倍.在大流量工况下,隔舌处和隔板起始端压力脉动频率以叶片通过频率为主,而小流量工况下以叶轮转顿为主.叶轮受到的径向力随着叶轮的旋转呈现不稳定性,其中小流量工况时最明显.3种工况下径向力均指向隔板起始端侧.     

前后盖板长度对离心泵外特性与非定常特性的影响

为了研究前后盖板保留长度对离心泵外特性以及非定常特性的影响,以一台比转速为80的离心泵为研究对象,在切削叶轮的叶片外径保持不变的情况下,对比了不同前后盖板直径(168、174和180 mm)对外特性、径向力和压力脉动的影响。通过对离心泵进行全流场非定常计算发现,各流量下扬程、效率均随前后盖板保留长度的增加而增大,扬程最大相差2.14 m,效率最大相差3.5%;在设计工况下,3种方案下的径向力呈周期性变化,矢量图呈五芒星分布,前后盖板保留得越多,径向力越大;由于叶轮与隔舌动静干涉的作用,蜗壳内各监测点压力脉动的主频均为叶频,随着叶轮与蜗壳间间隙的减小,隔舌处的压力脉动在叶频处基本保持不变,其倍频逐渐增大,第二断面的压力脉动系数幅值也逐渐增大。     

离心泵内部非定常水力激励特性

以单级蜗壳式离心泵作为研究对象,基于RANS法对离心泵内部流场结构进行了三维非定常数值模拟,探讨其内部的非定常流动特征所诱发的压力脉动特性及水力激励力特性,并在叶轮旋转周期过程中重点针对叶轮及其单个叶片的受力情况进行相关分析.结果表明:不同工况下各监测点压力脉动幅值的变化规律具有一致性,静压沿蜗壳周向分布不均匀;在压力脉动频谱图及叶轮径向力频谱图中叶频均占主导地位,而单个叶片激励力则体现为轴频;单个叶片所受径向力大小随流量的增加而增大,小流量工况下单个叶片的受力不均匀性明显,而接近额定工况时各叶片受力较均匀,且相差不大;通过对单个叶片非定常激励力特性的分析可知,小流量工况下由于隔舌附近叶片出口流动分离使得叶片受力变化明显,受射流尾迹影响更为突出.     

叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响

为了研究设计工况下不同的叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响,以一台比转速为66的离心泵为研究对象,保证设计模型其他几何参数不变的前提下,对叶轮出口宽度分别为11、12、13、14、15 mm的离心泵模型进行数值模拟计算,分析其外特性、内部流场以及压力脉动的变化规律。结果表明:叶轮出口宽度对离心泵的外特性有显著影响,出口宽度越大,扬程越高,存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵在设计工况下效率最高,即b=14 mm;随着出口宽度的增大,叶轮和蜗壳的压力增大,叶轮流道内低速区面积增加,湍动能减小;蜗壳流道内监测点的压力脉动幅值随叶轮出口宽度的增加而增加,隔舌和出口处监测点的压力脉动幅值随出口宽度的增加呈先减小后增加的趋势,在b=14 mm时压力脉动幅值最低。综合分析:说明存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵性能最佳,为比转速为66的离心泵的水力设计提供一定的参考价值。     

隔板长度对紧凑型高速磁力泵水力特性及叶轮径向力的影响

为探究蜗壳内隔板长度对紧凑型高速磁力泵外特性与叶轮径向力的影响,根据蜗壳型式及隔板长度的不同提出6种蜗壳方案.设单蜗壳为方案一,其余双蜗壳方案根据隔板长度从小到大依次设为方案二至方案六.采用ANSYS-CFX软件对不同工况下(0.8Q_d,1.0Q_d,1.2Q_d)各蜗壳方案泵内流场进行数值模拟,得到不同蜗壳方案的泵中心面静压分布云图,并进行径向力分析.采用方案四蜗壳作为泵实型样机进行试验,将试验值与计算结果进行对比.研究结果表明:相较于无隔板的单蜗壳泵,采用有隔板的双蜗壳泵有利于平衡叶轮径向力,在额定流量下单蜗壳在x,y方向的径向力最大分量分别为151.2,149.7 N,是双蜗壳方案四的1.5倍;随着隔板长度的增大,泵的扬程与效率均逐渐提高,叶轮径向力不断减小,3种工况下扬程的模拟值与试验值偏差均小于3.0%;试验表明数值计算结果具有可信性,研究结果可为紧凑型高速磁力泵在提高水力性能以及平衡叶轮径向力方面提供一定参考.     

不同压出室下叶轮切割对离心泵性能影响

为研究2种不同压出室下叶轮切割对离心泵性能的影响,以及单级单个叶轮切割与多级下单个叶轮切割的差异,基于N-S方程、标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法对MD-280-43×6型多级离心清水泵进行三维数值模拟.计算结果表明:以单级单个叶轮为切割目标时,随着切割量增大,螺旋形压出室的水力效率变化趋势比径向导叶式压出室的变化趋势更为明显,压水室水力损失每叶轮2%切割量,损失平均增长分别为0.360,0.193 m,2种压出室内部动压分布及对叶轮所产生径向力的变化趋势有明显差异;以多级下单个叶轮切割与单级单个叶轮切割的对比为目标时,对于径向导叶式压出室离心泵和螺旋形压出室离心泵,其水力效率、扬程、内部湍动能分布与各种单级单个模型平均偏差分别为1.644%,0.279%,2.090 m,1.573 m,1.302 J/kg,1.548 J/kg;不同压出室下叶轮切割特性的研究,应考虑压出室所带来的差异;多级泵叶轮切割特性研究时,应尽量回归多级环境进行研究.     

蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响

为研究蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响,针对同一叶轮匹配5种不同隔舌半径的离心泵进行非定常数值计算.通过计算获得了不同泵的水力性能、压力脉动特征、叶片载荷及叶轮上的径向力分布,并且与试验结果进行对比分析,验证了采用的数值计算方法具有较高的正确性.研究结果表明:隔舌半径对扬程的影响较小,随隔舌半径的增大,各工况下效率呈先增大后减小的趋势;当隔舌与基圆半径之比TR取值为0.09~0.24时,叶片工作面与背面的载荷差值有最小值,即此时叶片受力沿进口至出口的变化最小;随着隔舌半径的增大,泵内的压力脉动水平逐渐降低,TR=0.03时,叶频处的压力脉动幅值约为TR=0.3时的2倍;隔舌半径对叶轮径向力的大小影响显著,在设计工况下,径向力随隔舌半径的增大而增大,且TR=0.3时的径向力约为TR=0.03时的2.5倍.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

导叶周向安装位置对离心泵叶轮径向力的影响

为研究导叶和环形蜗室周向相对位置对离心泵叶轮径向力的影响,以一配有导叶和环形蜗室的离心泵为研究对象,设计相对位置角α分别为0°,10°,20°和30°的4套计算方案.采用ANSYS CFX对泵内全流场进行非定常的数值模拟,并通过试验对数值计算结果进行验证.基于数值计算结果,分析了导叶和环形蜗室不同相对位置下泵能量性能和叶轮径向力的变化规律.结果表明:α的变化对泵能量性能有明显的影响,不同的α下,扬程的最大变化为1.95%,效率的最大变化为1.39%,且α=20°时,其能量特性最优;随着α的增大,径向力脉动的幅值先减小后增大,α=20°,其脉动幅值最小,为最大脉动幅值的80%;随着α的增大,径向力脉动的主频先增加后减小,主频和次频对应的脉动幅值则先减小后增加,α=20°时,主频和次频处的脉动幅值最小;α的改变会对径向力矢量的分布产生影响,当α=0°和30°时,其分布具有较强的规律性,且α=0°时,其分布更有利于离心泵的长期运行.     

叶片进口边对微型高速离心泵性能的影响

为研究叶片进口边形状对微型高速离心式冷却水泵性能的影响,在保证叶片进口断面面积相等的基础上,设计了3种不同叶片进口形式,即外凹型、半凸型、基础型.采用SST k-ω湍流模型对泵的水力特性以及压力脉动进行数值计算,将结果与试验值进行对比分析.结果表明:仿真结果较为准确地预测了泵的水力性能,具有可行性;3种方案在远离扩压管的叶轮流道内均存在旋涡;与基础型相比,外凹型方案的扬程和效率有明显提高,并且高效区范围最宽;外凹型方案叶片进口边和出口附近的湍动能分布较好、叶轮出口圆周速度最高;3种方案蜗壳内压力脉动幅值出现在叶频及其倍频处,距隔舌位置越远,脉动幅值越低.采用外凹型方案叶片能减小脉动幅值,利于泵稳定运行.研究结果为微型高速离心泵优化设计提供一定的参考.     

蜗壳结构对液力透平径向力的影响

为研究蜗壳结构对液力透平径向力的影响,以某化工厂XWT 500-18型液力透平为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和边界层网格,对单蜗壳、双蜗壳匹配同一叶轮的液力透平进行内部流场数值模拟.根据数值计算结果对比分析2种不同蜗壳结构液力透平的外特性、压力分布、径向力特性.结果表明,在全工况内,单、双蜗壳透平的水头、轴功率接近,双蜗壳结构并无性能优势;双蜗壳结构由于隔板的存在使得叶轮进口附近的静压分布不如单蜗壳的均匀;在最优工况点下,单蜗壳透平的径向力最小,约为双蜗壳的一半,双蜗壳液力透平的径向力水平大于单蜗壳液力透平,双蜗壳液力透平径向力平衡较差;单、双蜗壳液力透平径向力方向与隔舌夹角在小流量下变化较大,在大流量下变化较小.分析结果可对液力透平径向力的认识和蜗壳设计提供参考.     

叶轮外径对混流泵作透平性能的影响

为了研究混流泵作透平工况下,叶轮外径对性能的影响,以混流泵为模型,通过试验验证了CFD方法的有效性.基于BladeGen设计了160,170,180 mm这3种叶轮外径的混流泵水力模型, 并通过数值分析研究了3种叶轮外径下,混流泵作透平工况下的外特性,水力损失分布及内部流场分布.结果表明:随着叶轮外径的不断增大,混流泵作透平的高效点逐渐向大流量区域移动,高效点的扬程、轴功率及效率都随之增加;大流量区域内,扬程迅速降低,轴功率下降变缓,效率有所上升;总水力损失与叶轮部分的水力损失显著减少;蜗壳部分的水力损失变化不明显;叶轮入口处的旋涡区域逐渐减小,蜗壳出口与叶轮入口之间存在的间隙流体逐渐减小,从而引起该部分水力损失逐渐减小;压力分布更加均匀.     

修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响

为探究修锉叶片出口对离心泵非定常性能的影响,对一台比转速为180的离心泵叶片出口的压力面和吸力面分别进行两种厚度修锉,采用ANSYS-CFX软件的标准k-ε湍流模型对各方案进行非定常数值模拟,对比分析不同叶片出口修锉方案对离心泵外特性、内部流场、压力脉动以及径向力的影响。研究结果表明:离心泵叶片出口压力面修锉方案PS1、PS2使离心泵的水力效率分别提高1.1%和1.5%,但在一定程度上会降低扬程,吸力面修锉方案SS1、SS2使离心泵的扬程分别提高6.3%和7.1%,但在一定程度上会降低水力效率;对吸力面进行修锉可以提高蜗壳扩散段壁面和蜗壳出口的静压值,同时降低叶轮及蜗壳流道中速度分布的均匀性,但对压力面进行修锉则相反;4种修锉方案均能在一定程度上改善离心泵蜗壳流道内的压力脉动,减小压力脉动的能量损耗,其中方案PS2效果最好;修锉方案PS2、SS1、SS2均能在一定程度上减小叶轮径向力同时增大隔舌径向力,其中方案SS2的影响效果最为明显。综合分析,叶片出口压力面修锉方案PS2使离心泵性能最佳。     

叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响

为分析叶轮直径对双蜗壳离心泵压力脉动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型和SIMPLEC算法对不同叶轮直径下的双蜗壳离心泵进行数值计算,将外特性参数试验结果与计算结果进行对比。研究表明,离心泵外特性参数(扬程H与输出功率P)随直径变化是等梯度的,并且计算值与试验值基本吻合;小流量工况下压力脉动幅值高于其他流量工况,叶轮直径变化会使叶片弯曲度发生改变,受动静干涉以及射流-尾迹的影响会出现脉动叠加现象,从而在叶片通过频率的倍频处(3fBPF或4fBPF)产生高幅值脉动;隔舌区域流动混合现象最为明显,且除D^2/D2=1(模型3)以外,隔舌位置处的压力脉动峰值均出现在叶片通过频率处。对于所选取的模型,除过隔舌区域监测点之外的其他监测点处压力脉动峰值处的脉动幅值随叶轮直径增大逐渐增大,且最大幅值波动达到23.8%。叶轮直径变化时射流-尾迹与动静干涉作用对离心泵内部压力脉动特性有重要影响。